Magneettiset napaparit: Liian monet ovat turhaa, liian harvat riittämättömät – missä ovat ruiskuvalettujen ferriittilevyjen valintarajat?

Valittaessa magneettisilla kooderilevyillä , yleinen intuitio on: mitä suurempi napaparien määrä, sitä suurempi resoluutio ja parempi suorituskyky. Anturitasolla tämä tuomio on laajalti pätevä. Mutta kun magneettimateriaali on kiinnitetty ruiskuvaletuksi ferriitiksi, tilanne muuttuu vivahteikaisemmaksi. Ruiskupuristetun ferriitin magneettisen suorituskyvyn katto, moninapaisen magnetoinnin prosessirajat ja helposti huomiotta jäävä tosiasia, että 'resoluutio ≠ tarkkuus' yhdessä piirtävät valintakäyrän, joka ei ole vain 'mitä korkeampi, sitä parempi'.

Ensinnäkin, selvennä lähtökohta: resoluutio ei ole sama kuin tarkkuus

TI-sovelluskirjallisuus antaa tiiviin yhteyden: käytettäessä yhtä Hall-salpaa pulssit per kierros ovat yhtä suuret kuin magneetin napaparien lukumäärä; käytettäessä kahta Hall-salpaa kvadratuuridekoodaukseen, kierrosluku on kaksinkertainen napojen lukumäärään verrattuna. 'asteitojen' näkökulmasta napaparit määrittävät suoraan pienimmän kulma-askeleen, jonka järjestelmä voi ratkaista.

Mutta muistutus avoimen lähdekoodin magneettienkooderiprojektista ansaitsee huomion jokaiselta valitsimelta: 'Resolution != Accuracy' – voit saada teoreettisen resoluution 0,017°/askel 2,4 mm:n napavälillä, mutta näitä vaiheita ei ole kartoitettu tasaisesti kehän ympärille. Toisin sanoen  napaparit määrittävät 'kuinka hienoja asteikot ovat,' ei 'kuinka tarkasti asteikot piirretään.'  Kulmavirhe johtuu napavälin johdonmukaisuudesta, magnetoinnin rajan selkeydestä, anturin asennuksen epäkeskisyydestä ja itse magneetin materiaalin tasaisuudesta. Napaparit eivät itse poista näitä virheitä; sen sijaan ne voivat vahvistaa niitä napaparien määrän kasvaessa.

Ruiskupuristetun ferriitin 'magneettisen suorituskyvyn katto'.

Ruiskupuristetun ferriitin sijainti on selkeä: se on ruiskupuristettu ferriittijauheesta (yleensä strontiumferriitistä) yhdistettynä polymeerimatriisiin, kuten nailon PA12/PA6. Sen etuja ovat monimutkaisten muotojen integroitu muovaus, hyvä mittasuhteet, korroosionkestävyys ja alhaiset kustannukset, mutta sen magneettinen suorituskyky on yleisesti käytettyjen enkooderimagneettimateriaalien alapuolella.

Spesifisesti mitattuna ruiskupuristetun ferriitin jäännösinduktio Br on noin  1,7–3,0 kGs , luontainen koersitiivinen Hci noin  2,3–4,0 kOe ja maksimienergiatuote BHmax on noin  1–2,2 MGOe . Vertailun vuoksi: sitoutuneen NdFeB:n Br on tyypillisesti  4,5–7,5 kGs ja BHmax voi olla  5–8 MGOe  tai jopa korkeampi. Tämä tarkoittaa, että saman anturin ilmavälin ja tunnistuskynnyksen alla ruiskuvaletun ferriitin tarjoama magneettikenttä 'signaalin voimakkuus' on selvästi heikompi kuin NdFeB-järjestelmien.

Pintamagneettikentän tiedot moninapaisen magnetoinnin jälkeen havainnollistavat edelleen rajoitusta: ohutseinäisten sisähalkaisijaltaan suuntautuneiden ruiskuvalettujen ferriitin moninapaisten magneettirenkaiden pinnan magneettikenttä on noin  600–1100 Gs , kun taas anisotrooppisella sintratulla ferriitillä voidaan saavuttaa korkeampia arvoja. Kun napaparien määrä kasvaa ja kunkin yksittäisen navan kaaren leveys kapenee, magneettikentän muodostamiseen käytettävissä oleva 'alue' kutistuu, reunaefektit ja napojen välinen magneettikentän superpositio kasvavat ja signaali-kohinasuhde huononee entisestään.  Tämä ei ole ongelma, joka voidaan ratkaista säätämällä magnetisaattorin virtaa; pikemminkin se on materiaalin energiatuotteen asettama pehmeä yläraja napaparien lukumäärälle.

Geometriset rajoitukset napavälin, paksuuden ja napaparien välillä

Eurooppapatentissa esitetty empiirinen suhde on varsin opettavainen: magnetoitavan elementin paksuuden tulisi olla noin  1,25 kertaa napaväli  (±25 %), mikä vastaa noin 0,3-1,5 mm paksuusaluetta; itse napaväli on luokkaa  0,25–1,25 mm . Tämä geometrinen rajoitus sitoo napaparien lukumäärän levyn halkaisijaan: annetulla halkaisijalla mitä suurempi napaparien määrä on, sitä pienempi napaväli ja sitä ohuempi vaadittu magneetin paksuus.

Ruiskupuristetun ferriitin tapauksessa seinämän ohentaminen puristaa tehokkaan magneettivuon entisestään. Samaan aikaan, kun napaväli kutistuu alimillimetrin tasolle, magnetointikiinnittimen napapään tarkkuuden ja magneettipiirin suunnittelun toleranssiikkuna kapenee nopeasti. Teollisuuden materiaalit osoittavat selvästi, että mitä suurempi napaluku on, sitä pienempi on yksinapaisen kaaren leveys ja sitä korkeammat vaatimukset magnetoivan kiinnittimen napapään tarkkuudelle ja magneettipiirin suunnittelulle. ongelmia, kuten  alikyllästyminen napojen kärjissä, magneettikentän vääristymä ja napojen välinen nolla-asennon siirtymä . Sitten ilmaantuu

Tämä selittää, miksi markkinoilla olevat ruiskupuristettujen ferriittienkooderin magneettirenkaiden yleiset tekniset tiedot keskittyvät sellaisiin paikkoihin kuin  62/64-napainen ja 126/128-napainen , sen sijaan että niitä pinottaisiin ylöspäin loputtomiin. Nämä asennot ovat tasapainopisteitä, jotka ovat jo läpikäyneet materiaalien suorituskyvyn, magnetointiprosessin ja kustannusten teknisen lähentymisen.

Valintalogiikka: siirry taaksepäin 'kuinka hienoa tarvitaan' kohtaan 'kuinka korkealle voidaan tehdä'

Käytännön valintapolku tulisi kääntää päinvastaiseksi:  määritä ensin järjestelmän todella tarvitsema resoluutio ja arvioi sitten, voiko ruiskupuristettu ferriitti tarjota käyttökelpoista signaalin laatua kyseisellä napaparimäärällä.

Matala napaparialue (4–12 napaa):  Yhden navan kaaren pituus on suuri ja magneettivuo riittävä, joten ruiskupuristetun ferriitin heikko magneettikenttä kompensoituu geometrisilla mitoilla. Tämä valikoima sopii skenaarioihin, jotka eivät vaadi tiukkaa resoluutiota, mutta vaativat edullisia ja hyvää johdonmukaisuutta, kuten tuuletinmoottorit, älykkäät vesimittarit ja laitteiden BLDC:t. Näissä sovelluksissa napaparien tehtävänä on tarjota enemmän kommutaatioreferenssi kuin tarkka kulma-asteikko.

Keskipitkä napaparialue (16–32 napaa):  Tämä on kynnys enkooderitason sovelluksiin siirtymiselle. Ruiskupuristettu ferriitti voi silti säilyttää käyttökelpoisen signaali-kohinasuhteen tällä alueella, mikä tekee siitä sopivan keskiresoluutioiseen kulmapalautteeseen, kuten humanoidirobottiliitoskooderiin ja joihinkin servo-apupalautteisiin. Valinnan aikana tärkein varmistuskohde on  napavälin johdonmukaisuus  sen sijaan, että pyrittäisiin vain korkeampaan napaparien määrään – 32-napainen magneettirengas, jolla on tasainen napavälijakauma, voi saavuttaa paremman kulmatarkkuuden kuin 64-napainen magneettirengas, jonka magnetointirajat ovat epäselvät.

Korkeampi napaparialue (48–64 napaa ja enemmän):  Ruiskupuristettu ferriitti alkaa lähestyä prosessin ja materiaalin ylärajoja. Tämä alue sopii paremmin  kaksiuraiseen suunnitteluun : päärata vastaa korkearesoluutioisesta inkrementaalisesta tai absoluuttisesta sijainnista, kun taas toissijainen raita tarjoaa kierroslukumäärän tai karkean sijainnin referenssin napaparilaskennan kanssa. Markkinoilla jo saatavilla olevat 62/64-napaiset ja 126/128-napaiset kaksiuraiset magneettirenkaat ovat tämän lähestymistavan tuotteita. On kuitenkin huomattava, että kun napaparien lukumäärä kasvaa edelleen, pintakentän vaimennus ja ruiskuvaletun ferriitin napojen välinen häiriö huonontaa signaalin laatua. Tässä vaiheessa  sidottu NdFeB on yleensä järkevämpi valinta korkeammista kustannuksistaan ​​huolimatta.

Kaksi keskeistä muistutusta suunnittelun toteutuksesta

Sisällytä ensin magnetointikyky valintatarkastukseen.  Magneettisen rengaspiirustuksen napaparien määrä on suunnitteluarvo. Se, onko todellinen magneettinen napajakauma tasainen ja ovatko napojen väliset nollapaikat selvät, riippuu magnetointikiinnittimestä ja prosessista. Ennen napaparien lukumäärän määrittämistä magneetin toimittajaa tulee pyytää toimittamaan  mitattu pintakentän jakautumiskäyrä  ja  napavälin konsistenssitiedot  kyseisellä napaparien määrällä, ei pelkästään magneettisen napajärjestelyn kaavakuva.

Toiseksi, kaksoisraita ei ole oikotie 'pinoamiseen napamäärät'.  Dual-trackin arvo piilee siinä, että käytetään napaparilukujen yhdistelmää korkean resoluution ja absoluuttisen paikan referenssin saavuttamiseksi samanaikaisesti. Se asettaa kuitenkin korkeampia vaatimuksia kahden magneettiradan väliselle vaiheen kohdistukselle ja magnetoinnin ylikuulumisen ohjaukselle. Jos pää- ja toissijaisten raitojen napaparien määrä on valittu väärin (esimerkiksi liian lähellä toisiaan), koprimaalisuuden tuoma paikanratkaisuetu korvataan signaalin ylikuulumisella. Kaksoisraitojen napapariyhdistelmä on suunniteltava yhdessä dekoodausalgoritmin kanssa sen sijaan, että magneetin valmistaja päättäisi siitä yksipuolisesti.

Valinnan ydin on löytää  erottelukykyvaatimusten, materiaalikapasiteetin, prosessiikkunan ja kustannusten välinen leikkauspiste . Ruiskupuristettu ferriitti ei ole 'universaali magneettirengasmateriaali'. Se tarjoaa erittäin kustannustehokkaan ratkaisun matalien ja keskisuurten napaparien alueella; mutta kun napaparien määrä nousee yli 64:n, valitsijoiden on rehellisesti kohdattava sen magneettinen suorituskyvyn katto – joko hyväksyttävä signaalin laadun heikkeneminen tai kääntyä materiaalijärjestelmän puoleen, jossa on korkeampi energiatuote.  Napaparit ovat viivain, mutta se, onko viivaimen asteikot oikein piirretty, riippuu siitä, tukevatko materiaali ja prosessi niitä.